原子物理-衰变规律
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亚原子物理
2009年10月7号
.
1
个人简介
❖ 亓斌，空间科学与物理学院讲师
❖ 研究： 原子核结构理论（主要） 1.发展粒子转子模型和相对论平均场理论 2. 解决原子核高自旋态中的热点问题 核天体物理 (一些计划) 中子星,太阳系元素丰度
❖ 科学实验楼406， bqi@sdu.edu.cn
2
.
原子核物理学的重要性
1896, H. Bequerel在研究铀矿时发现放射性
天然放射线主要有三种：a, b和 g射线
9
.
1．放射性的一般现象
1．a射线是高速运动的氦原子核（又称α粒子） 组成的。所以，它在磁场中的偏转方向与正离子 流的偏转相同。它的电离作用大，贯穿本领小。
2．b射线是高速运动的电子流，它的电离作用较 小，贯穿本领较大。
18
.
3. 递次衰变规律 ❖连续逐代衰变叫做递次衰变。例：
对于
设A，B的衰变常数分别为 l1， l2. 在时刻t，A，B，C的 原子核数分别为N1，N2，N3；在t＝0时，只有母体A
对于A
19
.
3. 递次衰变规律 对于B
20
.
3. 递次衰变规律
❖作积分并利用初始条件（t＝0，N3＝0）
21
.
3. 递次衰变规律
原子核物理学关系到国防与国家的战略需求
核能的利用以及同位素和辐照技术的利用： 核武器、核电站、 核动力装置、核医学设备等 （国家即将在山东建三座核电站）
其它交叉学科的研究: 材料物理、化学、生命科学等
世界上正在以及准备建造的新一代放射性束装置为核物理开 辟了崭新且令人激动的研究领域
兰州近物所重离子加速器冷却储存环（1997－2008，2.93亿人民币）
22
.
2. 放 射 性 平 衡
.
23
29
.
30
.
31
.
32
.
3. 人工放射性的生长
.
33
34
.
35
.
爱因斯坦的《悼念玛丽·居里》演讲
“……我幸运地同居里夫人有20年崇高而真 挚的友谊。我对她的人格的伟大愈来愈感到 钦佩。她的坚强，她的意志的纯洁，她的律 己之严，她的客观，她的公正不阿的判断— 所有这一切都难得地集中在一个人身上。…
稳定原子核
100Sn
Sn=0
中子星
r-Process, Supernovae
78Ni
✓ 基本对称性以及基本相互作用
✓ 超重元素的合成
晕核
✓ 奇特原子核
✓ 核天体物理：中子星， 宇宙中元素的合成
✓ 磁转动，手征转动模式
✓ ……
原子核的放射性
参考：原子核物理，卢希庭，原子能出版社
.
5
1. 放射性衰变的基本规律
率正比于该间隔。
放射性活度
16
.
2. 放射性衰变的指数衰减规律 ❖半衰期T1/2是放射性原子核数衰减到原来数 目的一半所需的时间
平均寿命t是指放射性原子核平均生存的时间：
17
.
2. 放射性衰变的指数衰减规律 ❖当核素具有多种分支衰变时：
❖第i种分支衰变的部分放射性活度
❖总放射性活度
❖部分放射性活度随时间是按 衰减 而不是按 衰减的。
40
.
高锟，1933年出生于中国上海， 现拥有英国和美国双重国籍。 1965年从英国伦敦帝国理工学院 获得电机工程博士学位。 现为英国标准电信实验室工程学主任。
数。N0 是时间t=0时核的数量，N是t时刻的 数量
❖通常把指数衰减律也叫作放射性衰变的统计
规律。它只适用于大量原子核的衰变，对少
数原子核的衰变行为 只能给出概率描写。
15
.
2. 放射性衰变的指数衰减规律
❖指数率的普遍性质： （1） 各个粒子的行为相互独立。 （2） 过程发生的概率与“历史”无关。 （3） 在极小的时空间隔里，过程发生的概
居里夫人的品德力量和热忱，哪怕只有一小
部分存在于欧洲的知识分子中间，欧洲就会
面临一个比较光明的未来。”
36
.
作业题
2.2 已知222Rn的半衰期为3.824d，问1mCi和 103Bq的222Rn的质量分别是多少？
2-9 经测定一出土古尸的14C的相对含量为现 代人的80%，求该古代人的死亡年龄
日本理Biblioteka Baidu学研究所的放射性核束工厂 （仅一期约550亿日元）
德国GSI的FAIR项目（2003－，12 亿欧元）
美国启动RIA项目 （2008－，约5.5亿美元）
3
.
原子核物理学研究的新领域
基本对称性和相互作用
稳定岛
?
可能存在原子核
已知原子核 Sp=0
rp-Process, Novae and X-ray Bursts
.
6
核素图
可能存在原子核 已知原子核 Sp=0
稳定原子核
100Sn
Sn=0
Z
78Ni
稳定核：270 不稳定核
N
7
.
原子核的不稳定性
核基态的不稳定性—核转变（b, a） （弱作用和电磁作用） 激发态的不稳定性—g衰变（电磁作用） 共振态衰变—粒子发射（强作用或核作用）
8
.
1．放射性的一般现象
原子核自发地放射各种射线的现象，称为放射 性。能自发地放射各种射线的核素称为放射 性核素，也叫不稳定的核素。放射性现象是 由原子核的内部变化引起的。
b衰变相当于原子核的一个中子变成了质子； + b衰变和轨道电子俘获相当于原子核的一 个质子变成了中子。
❖ 处于激发态的原子核向基态的跃迁称为g 跃迁，
放出g 射线。 g射线的自发放射一般是伴随a或b
射线产生的。
12
.
1．放射性的一般现象
❖ 天然放射性是指天然存在的放射性核素所具有的放 射性。它们大多属于由重元素组成的三个放射系（ 即钍系、 铀系和锕系）。这三个放射系之外，还 存在一些非系列的 天然放射性核素，例如H，C， K，V，Rb，In，Te，La， Ce，Nd，Sm，Lu， Re，Pt，Bi等。
3．g射线是波长很短的电磁波。它的电离作用小， 贯穿本领大。
10
.
1．放射性的一般现象
❖原子核衰变是指原子核自发地放射出粒子 而发生的转变。 原子核自发地放射出α粒子 而发生的转变，叫做α衰变。
X表示母核，Y表示子核，例如
11
.
1．放射性的一般现象
❖原子核自发地放射出电子或正电子或俘获一 个轨道电子而发生的转变，统称为b衰变。
❖ 用人工办法（例如反应堆和加速器）来产生放射性 ，这叫人工放射性。
❖ 放射性核束，是指由放射性的（或非稳定的）原子 核构成的束流，通常是由核反应产生的次级束流。
13
.
2. 放射性衰变的指数衰减规律 放射性是一种自发的随机过程
14
.
2. 放射性衰变的指数衰减规律 微分
❖任何放射性物质在单独存在时都服从这样的 规律。l称为衰变常数，是在单位时间内每 个原子核的衰变概率，它的量纲是时间的倒
2009年10月7号
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个人简介
❖ 亓斌，空间科学与物理学院讲师
❖ 研究： 原子核结构理论（主要） 1.发展粒子转子模型和相对论平均场理论 2. 解决原子核高自旋态中的热点问题 核天体物理 (一些计划) 中子星,太阳系元素丰度
❖ 科学实验楼406， bqi@sdu.edu.cn
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原子核物理学的重要性
1896, H. Bequerel在研究铀矿时发现放射性
天然放射线主要有三种：a, b和 g射线
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1．放射性的一般现象
1．a射线是高速运动的氦原子核（又称α粒子） 组成的。所以，它在磁场中的偏转方向与正离子 流的偏转相同。它的电离作用大，贯穿本领小。
2．b射线是高速运动的电子流，它的电离作用较 小，贯穿本领较大。
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3. 递次衰变规律 ❖连续逐代衰变叫做递次衰变。例：
对于
设A，B的衰变常数分别为 l1， l2. 在时刻t，A，B，C的 原子核数分别为N1，N2，N3；在t＝0时，只有母体A
对于A
19
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3. 递次衰变规律 对于B
20
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3. 递次衰变规律
❖作积分并利用初始条件（t＝0，N3＝0）
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3. 递次衰变规律
原子核物理学关系到国防与国家的战略需求
核能的利用以及同位素和辐照技术的利用： 核武器、核电站、 核动力装置、核医学设备等 （国家即将在山东建三座核电站）
其它交叉学科的研究: 材料物理、化学、生命科学等
世界上正在以及准备建造的新一代放射性束装置为核物理开 辟了崭新且令人激动的研究领域
兰州近物所重离子加速器冷却储存环（1997－2008，2.93亿人民币）
22
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2. 放 射 性 平 衡
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3. 人工放射性的生长
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33
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爱因斯坦的《悼念玛丽·居里》演讲
“……我幸运地同居里夫人有20年崇高而真 挚的友谊。我对她的人格的伟大愈来愈感到 钦佩。她的坚强，她的意志的纯洁，她的律 己之严，她的客观，她的公正不阿的判断— 所有这一切都难得地集中在一个人身上。…
稳定原子核
100Sn
Sn=0
中子星
r-Process, Supernovae
78Ni
✓ 基本对称性以及基本相互作用
✓ 超重元素的合成
晕核
✓ 奇特原子核
✓ 核天体物理：中子星， 宇宙中元素的合成
✓ 磁转动，手征转动模式
✓ ……
原子核的放射性
参考：原子核物理，卢希庭，原子能出版社
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1. 放射性衰变的基本规律
率正比于该间隔。
放射性活度
16
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2. 放射性衰变的指数衰减规律 ❖半衰期T1/2是放射性原子核数衰减到原来数 目的一半所需的时间
平均寿命t是指放射性原子核平均生存的时间：
17
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2. 放射性衰变的指数衰减规律 ❖当核素具有多种分支衰变时：
❖第i种分支衰变的部分放射性活度
❖总放射性活度
❖部分放射性活度随时间是按 衰减 而不是按 衰减的。
40
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高锟，1933年出生于中国上海， 现拥有英国和美国双重国籍。 1965年从英国伦敦帝国理工学院 获得电机工程博士学位。 现为英国标准电信实验室工程学主任。
数。N0 是时间t=0时核的数量，N是t时刻的 数量
❖通常把指数衰减律也叫作放射性衰变的统计
规律。它只适用于大量原子核的衰变，对少
数原子核的衰变行为 只能给出概率描写。
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2. 放射性衰变的指数衰减规律
❖指数率的普遍性质： （1） 各个粒子的行为相互独立。 （2） 过程发生的概率与“历史”无关。 （3） 在极小的时空间隔里，过程发生的概
居里夫人的品德力量和热忱，哪怕只有一小
部分存在于欧洲的知识分子中间，欧洲就会
面临一个比较光明的未来。”
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作业题
2.2 已知222Rn的半衰期为3.824d，问1mCi和 103Bq的222Rn的质量分别是多少？
2-9 经测定一出土古尸的14C的相对含量为现 代人的80%，求该古代人的死亡年龄
日本理Biblioteka Baidu学研究所的放射性核束工厂 （仅一期约550亿日元）
德国GSI的FAIR项目（2003－，12 亿欧元）
美国启动RIA项目 （2008－，约5.5亿美元）
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原子核物理学研究的新领域
基本对称性和相互作用
稳定岛
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可能存在原子核
已知原子核 Sp=0
rp-Process, Novae and X-ray Bursts
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核素图
可能存在原子核 已知原子核 Sp=0
稳定原子核
100Sn
Sn=0
Z
78Ni
稳定核：270 不稳定核
N
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原子核的不稳定性
核基态的不稳定性—核转变（b, a） （弱作用和电磁作用） 激发态的不稳定性—g衰变（电磁作用） 共振态衰变—粒子发射（强作用或核作用）
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1．放射性的一般现象
原子核自发地放射各种射线的现象，称为放射 性。能自发地放射各种射线的核素称为放射 性核素，也叫不稳定的核素。放射性现象是 由原子核的内部变化引起的。
b衰变相当于原子核的一个中子变成了质子； + b衰变和轨道电子俘获相当于原子核的一 个质子变成了中子。
❖ 处于激发态的原子核向基态的跃迁称为g 跃迁，
放出g 射线。 g射线的自发放射一般是伴随a或b
射线产生的。
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1．放射性的一般现象
❖ 天然放射性是指天然存在的放射性核素所具有的放 射性。它们大多属于由重元素组成的三个放射系（ 即钍系、 铀系和锕系）。这三个放射系之外，还 存在一些非系列的 天然放射性核素，例如H，C， K，V，Rb，In，Te，La， Ce，Nd，Sm，Lu， Re，Pt，Bi等。
3．g射线是波长很短的电磁波。它的电离作用小， 贯穿本领大。
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1．放射性的一般现象
❖原子核衰变是指原子核自发地放射出粒子 而发生的转变。 原子核自发地放射出α粒子 而发生的转变，叫做α衰变。
X表示母核，Y表示子核，例如
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1．放射性的一般现象
❖原子核自发地放射出电子或正电子或俘获一 个轨道电子而发生的转变，统称为b衰变。
❖ 用人工办法（例如反应堆和加速器）来产生放射性 ，这叫人工放射性。
❖ 放射性核束，是指由放射性的（或非稳定的）原子 核构成的束流，通常是由核反应产生的次级束流。
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2. 放射性衰变的指数衰减规律 放射性是一种自发的随机过程
14
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2. 放射性衰变的指数衰减规律 微分
❖任何放射性物质在单独存在时都服从这样的 规律。l称为衰变常数，是在单位时间内每 个原子核的衰变概率，它的量纲是时间的倒